Het nauwkeurig meten van lichtfrequenties is vereist voor tijdwaarneming. Het is ook een essentieel onderdeel in veel wetenschappelijke experimenten en technologieën, van militaire defensie tot het opsporen van luchtvervuiling, testen van fundamentele fysica tot de detectie van exoplaneten. "Er zijn maar weinig menselijke ondernemingen die zowel fundamenteler als belangrijker zijn voor technologie, " zegt Curtis Menyuk, hoogleraar Computerwetenschappen en Elektrotechniek aan het UMBC.

Sinds de uitvinding in 2000, een speciaal meetapparaat, een optische frequentiekam genaamd, is naar voren gekomen als een krachtig hulpmiddel voor het voltooien van deze metingen. Een frequentiekam bestaat uit veel frequenties met regelmatige tussenruimte die lijken op de tanden in een kam. Deze tanden functioneren als de lijnen in een liniaal, waardoor het mogelijk is om frequenties met ongekende nauwkeurigheid en snelheid te meten. Frequentiekammen zijn zo belangrijk gebleken dat de helft van de Nobelprijs voor natuurkunde in 2005 werd toegekend aan John Hall en Theodor Hänsch voor de ontwikkeling ervan en het aantonen van hun nut.

Echter, "Een moeilijkheid bij de meeste kamsystemen is dat ze dure, op laser gebaseerde apparatuur, " zegt Menjoek. In 2009 een onderzoeksgroep in Zwitserland toonde aan dat het mogelijk is om minuscule millimetergrote resonatoren te gebruiken, microresonatoren genoemd, frequentiekammen te genereren. Dat leidde tot een wereldwijde inspanning om deze kammen voor toepassingen te ontwikkelen. In de Verenigde Staten, deze inspanning is ondersteund door NSF, nasa, en DARPA.

Echter, deze inspanning heeft te maken gehad met grote uitdagingen, te. Een uitdaging is dat de kracht van elke "tand" van de kam te zwak is zonder significante versterking, die een grote, extern systeem. Een andere uitdaging is het genereren van de kam in de eerste plaats, "wat weer een uitgebreid opstartsysteem vereist, " legt Menyuk uit. "Als gevolg hiervan, het systeem is niet compact, die het doel van het gebruik van microresonators verslaat."

Een nieuw papier binnen optiek , co-auteur van Menyuk, zijn afgestudeerde student Zhen Qi, en hun collega's van de Technological University of Pereira en Purdue University, een benadering beschrijven die beide problemen mogelijk kan oplossen met behulp van nieuwe lichtgolfvormen.

Alle frequentiekamsystemen tot nu toe hebben speciale lichtgolven gebruikt die solitonen worden genoemd, die Menyuk al meer dan dertig jaar bestudeert. Hij, Qi, en hun co-auteurs suggereerden dat ongebruikelijke lichtvormen die bekend staan ​​als cnoïdale golven of Turing-rollen beter zijn aangepast dan solitonen aan de kleine omvang van de microresonatoren. Ze demonstreerden theoretisch dat kammen die deze golfvormen gebruiken, kunnen worden verkregen door gewoon de stroombron voor de microresonator in te schakelen, in tegenstelling tot soliton kammen, en veel krachtigere kamtanden opleveren - wat beide grote uitdagingen zou oplossen die de ontwikkeling van microresonatoren belemmeren.

"De succesvolle ontwikkeling van compacte, on-chip frequentiekammen zullen het toepassingsgebied voor frequentiekammen aanzienlijk uitbreiden, " zegt Menyuk. "In het bijzonder, ze zouden de snelheid waarmee gegevens over afstanden kunnen worden gesynchroniseerd aanzienlijk vergroten, toepassingen mogelijk maken die we ons nu alleen maar kunnen voorstellen."